Comment mesurer l'efficacité d'un moteur sans balais et d'une hélice

Par Charles Blouin

Tutoriel vidéo

Tester vos moteurs et hélices est le moyen le plus efficace d'évaluer les performances et d'identifier les points à améliorer dans votre conception.

Cela vous permet d'améliorer l'efficacité, ce qui se traduit directement par des gains d'autonomie, de temps de vol, de capacité de charge utile et bien plus encore.

Dans cet article, nous aborderons à la fois le comment et le pourquoi des tests de moteurs et d'hélices.

Table des matières

1. Pourquoi tester vos moteurs et hélices
2. Quels paramètres dois-je mesurer ?
1. Efficacité du moteur brushless
2. Efficacité de l'hélice
3. Efficacité globale du système
3. Comment tester les moteurs et les hélices avec un banc de poussée
4. Procédure de test pour les essais statiques
5. Comment utiliser les résultats d'efficacité

Pourquoi tester vos moteurs et hélices

Vous devez d'abord vous demander quels sont vos besoins, ou ceux de votre utilisateur final. Cette question est importante car elle vous aidera à savoir quels paramètres optimiser. 

• Voulez-vous voler plus longtemps pour filmer sans interruption pendant de plus longues périodes ?
• Voulez-vous transporter une charge utile plus importante ?
• Avez-vous besoin de plus de poussée et de puissance pour aller plus vite ou pour améliorer la maniabilité par vent fort ?
• Rencontrez-vous des problèmes de surchauffe et votre application exige de minimiser le taux de défaillance ?

Le choix final du système d'alimentation dépend non seulement de la cellule et de la charge utile, mais aussi de votre application.

Quels paramètres dois-je mesurer ?

Efficacité du moteur brushless

Figure 1 : moteur brushless NTM PropDrive 35-30 et hélice en fibre de carbone Quantum 13-4

Pour caractériser pleinement un moteur et déterminer son efficacité, vous devez mesurer les paramètres suivants.

• Tension (V)
• Courant (A)
• Entrée de gaz ( %)
• Charge ou couple du moteur (Nm)
• Vitesse (tr/min)

• Puissance mécanique (Watts) = Couple (Nm) * Vitesse (rad/s)
• Puissance électrique (Watts) = Tension (V) * Courant (A)
• Efficacité du moteur = Puissance mécanique / Puissance électrique

La vitesse de sortie est une fonction de la commande de gaz, en %, et de la charge ou du couple, en Nm. Si vous souhaitez caractériser complètement un moteur, vous devrez le tester avec plusieurs tensions d'entrée et différentes charges. La commande de gaz est modifiée avec le contrôleur, et la charge est modifiée avec le type et la taille de l'hélice.

À lire également : Comment fonctionnent les moteurs brushless et comment les tester

Efficacité de l'hélice

Pour trouver l'efficacité de l'hélice, vous devrez mesurer les paramètres suivants :

• Vitesse (tr/min)
• Couple (Nm)
• Poussée (g)

Ces paramètres vous permettent de déterminer :

• Puissance mécanique (Watts) = Couple (Nm) * Vitesse (rad/s) ← identique à celle du moteur
• Efficacité de l'hélice (g/watt) = Poussée (g) / Puissance mécanique (Watts)

Notez que la puissance mécanique est la même pour le moteur et l'hélice. C'est parce que toute la puissance mécanique de sortie du moteur est transmise à l'hélice, car elle est directement couplée à l'arbre du moteur.

Efficacité globale du système

L'efficacité globale de votre système dépend de la façon dont votre moteur et votre hélice fonctionnent ensemble. Même avec un moteur et une hélice très efficaces individuellement, votre système peut être très inefficace si les deux pièces ne sont pas bien assorties.

Comme ces pièces ont un lien commun (l'arbre), l'efficacité globale du système s'exprime comme suit :

Efficacité du système (g/watt) = Efficacité de l'hélice (g/watt) * Efficacité du moteur

où l'efficacité du système est en grammes par watt de puissance électrique. Changer le moteur, l'hélice ou même passer à un autre ESC contribuera tous à modifier l'efficacité du système.

De plus, la valeur d'efficacité ne sera valable que pour une commande d'entrée et une charge mécanique spécifiques. En pratique, cela signifie que vous devrez tester votre moteur sur une plage de commandes d'entrée et avec diverses hélices (pour faire varier la charge mécanique) afin d'obtenir une caractérisation complète de l'efficacité.

Comment tester les moteurs et les hélices avec un banc de poussée

En résumé, pour obtenir l'efficacité du moteur et de l'hélice, vous devez enregistrer simultanément la tension, le courant, le couple, la poussée et la vitesse du moteur. En combinant ces relevés, vous pouvez extraire la puissance électrique et mécanique, ce qui vous donnera à son tour les valeurs d'efficacité.

Le moyen le plus simple et le plus efficace d'effectuer ces tests est d'utiliser un banc de poussée, un équipement spécialement conçu pour caractériser les moteurs et les hélices.

Nous avons utilisé le banc de poussée série 1585 (5 kgf/ 2 Nm) pour collecter les données discutées ci-dessous, mais nous proposons également des bancs de poussée mesurant jusqu'à 500 kgf.

À lire également : Pourquoi vous devriez tester les moteurs et hélices de votre drone

Procédure de test pour les essais statiques

Dans cet article, nous aborderons uniquement les essais statiques (nous ne parlerons pas des tests dynamiques impliquant l'accélération angulaire, l'estimation du couple de calage, etc…).

Avant de commencer vos tests, nous recommandons de :

• Installer votre hélice en configuration push, pour réduire les effets de sol avec la plaque de montage du moteur
• Maintenir une distance raisonnable entre l'hélice et les autres objets, encore une fois, pour éviter les effets de sol
• Mettre en place toutes les mesures de sécurité pour protéger les personnes dans la pièce
• Configurer votre banc de poussée pour couper automatiquement le système si un paramètre dépasse sa limite de sécurité

Un test simple mais efficace consiste à augmenter la commande de gaz par petits pas, et à enregistrer un échantillon après chaque pas. Avant de prendre l'échantillon à chaque étape, laissez le système se stabiliser pendant quelques secondes.

Dans la vidéo au début de l'article, nous démontrons comment nous avons manuellement varié la commande de gaz de 0 à 100 % en 10 étapes. Cette procédure aurait également pu être effectuée en utilisant la fonction de test automatisé du logiciel RCbenchmark, qui est couverte dans un autre tutoriel.

À lire également : Comment équilibrer un moteur brushless

Comment utiliser les résultats d'efficacité

Vous pouvez analyser vos données de sortie à l'aide de n'importe quel logiciel de tracé. Ci-dessous se trouve un exemple de graphique que nous avons généré obtenu à l'aide des données du fichier CSV lié ci-dessus.

Ici, nous avons comparé la poussée de l'hélice et l'efficacité mécanique, pour voir à quels points notre système de propulsion fonctionne le plus efficacement.

Vous pourriez ensuite comparer ces données avec des données d'autres tests utilisant le même protocole mais différentes hélices pour trouver celle qui est la plus efficace avec votre moteur.

Pour plus d'exemples des types d'analyses que vous pouvez faire avec ces données, consultez nos articles sur les tests de moteurs et d'hélices.

Conclusion